מאפיינים תרמופלסטיים לפיתוח מכשור רפואי

פרסומת

מכונת MRI עם תרמופלסטיים קרדיט צילום: קבוצת SIMONA AMERICA

חיזוי או אימות של תכונות התרמופלסטיות חיוניים לתכנון יעיל ואופטימיזציה של חלקים ומוצרים תרמופלסטיים במוצרי מכשור רפואי. תכונות החומר הלא ליניאריות שלהם ממלאות תפקיד קריטי בביצועים ובהתנהגות.

במהלך ההגדרה של מודלים חישוביים, גורמים אלה צריכים להיות בראש הדעת כדי לחזות ולאמת את התנהגות התרמופלסטיים ביישום בעולם האמיתי של מכשור רפואי. התעלמות מהשפעות אלו עלולה להיות בעלת השלכות דרסטיות על דיוק המודלים החזויים.

בחירת החומר הנכון עבור מכשיר או רכיב רפואי עוזרת להבטיח מוצר יעיל וחזק. ביישומים רפואיים ליצירת קשר עם מטופל, פולימרים הם החומר הנבחר. יש להם יתרון גדול על פני מתכות מכיוון שהמליחות והחומציות של עורם של בני אדם מפרות מתכות, בעוד שפולימרים בעלי משקל מולקולרי גבוה הם די עמידים. הם גם חזקים, עמידים כימית לתברואה, מסוגלים להיות בעלי מרקם וקל משקל. אם תעברו בבית חולים מודרני, תיתקלו בדוגמאות רבות של תרמופלסטיים במכשירים רפואיים, כולל מיטות בית חולים, מכשירי MRI ו-CT, עגלות אולטרסאונד וחומרים מתכלים כמו מזרקים, וילונות וחלוקים למטופלים.

קיימות מספר סוגים של פולימרים – תרמופלסטיים, תרמוסטיים ואלסטומרים. לפי משקל, תרמופלסטיים מהווים 80% מכלל הפלסטיק בשימוש ברחבי העולם [1]. בשל מגוון רחב של תכונות, מכשירים רפואיים מסתמכים לעתים קרובות על תרמופלסטיים עבור חלקים עיקריים וקריטיים בבנייתם. התנהגות מבנית תרמופלסטית שונה למדי ממתכות, וחלק מההתנהגות הזו אינה אינטואיטיבית. חשוב להבין במהלך התכנון והבדיקה תרמופלסטיים' תגובה ללחץ בתנאי דפורמציה אלסטיים ופלסטיים כאחד. היבטים אלה חשובים במיוחד עבור תשומות מודלים חישוביים, התלויים בהתנהגות חומר מדויקת כדי להגדיר את ההדמיות מונעות מתמטיקה.

ניתן להגדיר מודלים חישוביים עם התנהגות חומר ליניארית אם כישלון מוגדר ככל דפורמציה פלסטית, אך לעתים נדירות זה קורה בתנאי בדיקה, שבהם מידה מסוימת של התנהגות לאחר התשואה מצדיקה מחקר וסקירה מפורטת. לכן, הבנת הקשר המתרחב של מתח-מתח מעבר לתפוקה, תלות בקצב והיסטרזיס הגלומים במחזוריות החומר (כלומר, מחקרי עייפות וזמן שקיעת חומר לאחר הלחץ) חיונית להגדרת מחקרי מודלים חישוביים מדויקים.

ההתנהגות של תרמופלסטיים ייחודית מחומרים אחרים בשל המבנה המולקולרי שלהם. בדרך כלל, מולקולות הן ארוכות ואמורפיות באוריינטציה, מתכווננות ללחץ באופן תלוי קצב. לקצב המתח יש גם השפעה רבה על תגובת המתח-מתח, המודגם בניגוד בין נפילות/השפעות והרפיית חומר לאורך זמן (למשל, מחברים עם הברגה עצמית בתרמופלסטיים).

טווח ההתנהגויות מוצג ב איור 1שבו אורגנו שיעורים של תרמופלסטיים כדי להמחיש דוגמאות לתגובה התנהגותית.

דמות 1 – מגוון התנהגויות מתח-מתח של תרמופלסטיקה (מקור: StarFish Medical)

דוגמה אקטואלית ניתנת על ידי דגימה אמורפית של ניילון, הידוע גם בשם פוליאמיד, תרמופלסטית חצי רקיעה וקשיחה בשימוש תדיר. גרף מתח-מתח מוצג ב איור 2 (צד שמאל). בהפעלת כוח, התגובה הראשונית היא ליניארית עד שמתחיל אזור לא ליניארי קצר. ואז תשואה מתרחשת, מעוות פלסטית את החומר לצמיתות. מתח נוסף מוביל לצוואר וריכוך מתח, שהוא הפחתה במתח עקב דפורמציה פלסטית וכיוון מחדש של הפולימר האמורפי למבנה מיקרו מכוון.

תרמופלסטיקה מורכבת משרשרות ארוכות של יחידות מולקולריות חוזרות, הידועות בשם מונומרים. מונומרים אלו מקושרים יחד באמצעות קשרים כימיים, ויוצרים רשת תלת מימדית של שרשראות מחוברות זו לזו. המבנה המולקולרי של תרמופלסטיים ממלא תפקיד משמעותי בתכונות החומר הלא ליניאריות שלהם. גיבhe הדוגמה של יישום הדרגתי של לחץ על ניילון, אם נותנים לאזור הצוואר לכוון מחדש את המולקולות שלו למבנה גבישי עקב תגובת הלחץ, אז מתחילה התקשות המתח. מוצגת הדגמה ויזואלית בדרגה של תהליך הצוואר והתמצאות מחדש איור 2 (צד ימין). עם הפעלת כוח מתמשך, ובקצב גבוה מספיק, החומר ייכשל וכתוצאה מכך קו שבירה והפרדה – זה נקרא כשל מתיחה אולטימטיבי.

דמות 2 – גרף מתח-מתח ניילון (משמאל) וכיוון מחדש מולקולרי במהלך מתח-מתח (מימין) (קרדיט תמונה: אסקלנד, "מדע החומרים ההנדסיים [1994])

איור 2 מראה מתח-מתח ותגובה מולקולרית בקצב מתח קבוע. עם זאת, כאשר שיעור המתח משתנה כך גם תגובת הלחץ. כאמור, קצב יישום איטי יכול לאפשר ליניאריזציה של מולקולות ולכן הפחתה של ריכוך המתח במתח. ככל שהמתח מופעל מהר יותר, כך המולקולות יכולות לזרום פחות כדי להסתגל, ולכן תגובת הלחץ נעשית גבוהה יותר.

זה מוצג ב איור 3, כאשר במתח של 7% (הפרש קצב של 4 סדרי גודל) הלחץ גדל בכמעט פקטור של 2. זה יכול להפוך לגורם בהתאם ליישום הלחץ. שקול את ההבדל בין פגיעה כמו הפלת חפץ לעומת שינוי איטי כמו רכיבה תרמית על אזור עם מתח שיורי (למשל, מארז פלסטיק מרותך). לרגישות זו לקצב המתח יכולה להיות השלכות משמעותיות על העיצוב והביצועים של חלקים תרמופלסטיים מכיוון שהיא משפיעה על חוזקם, קשיחותם ועמידותם.

דמות 3 – תגובת מתח תלויה בקצב מתח בניילון (PA6) (קרדיט תמונה: סרבאן דן-אנדריי)

בעוד שהאמור לעיל מתאר כיצד קצב המתח יכול להראות הבדלים על פני % המתח, חשוב גם לשקול את התלות הבסיסית בזמן ואי-ליניאריות הטבועים בתרמופלסטיים. ניתן לתאר את התגובה של תרמופלסטיים ללחץ מופעל כתגובה מוערמת לאורך זמן, כולל תגובות אלסטיות, פלסטיות וויסקו-אלסטיות.

סקירה איור 4 – בהינתן מתח מיושם נאות, פלסטיק יציג גם תגובה ויסקו-אלסטית גדולה בנוסף לעיוות אלסטי ופלסטי. התלות בזמן קיימת עקב כיוון מחדש מולקולרי כמו באיור הקודם. אם תוחזק, זה בסופו של דבר ישתחרר לזן שמייצג שיווי משקל. אבל אם הלחץ מוסר, דפורמציה פלסטית נשמרת, והחלק הויסקו-אלסטי של המתח מוקל בצורה לא ליניארית לאורך זמן. במהלך מחזורי מתח-מתח, זה מציג את עצמו כהיסטרזיס.

דמות 4 – יישום מתח ותגובת מתח חלקית לאורך זמן (קרדיט גרף: Azom.com)

תרמופלסטיים גם מפגינים התנהגות לא ליניארית מבחינת תכונותיהם תלויות הטמפרטורה. סקירה איור 5 כדי לדמיין כיצד זה משפיע על חוזק החומר. ככל שהטמפרטורה של תרמופלסטי עולה, תכונות החומר שלו משתנות, והופכות יותר ויסקו אלסטיות ופחות שביר. ניתן להבחין בכך במודול האלסטיות התלוי בטמפרטורה ובטמפרטורת מעבר הזכוכית, אשר שניהם פרמטרים חשובים בתכנון וניתוח של חלקים תרמופלסטיים.

דמות 5 – הפחתת מתח תרמופלסטי עקב עליות טמפרטורה איזותרמית (קרדיט גרף: ויקיפדיה )

כפי שצוין קודם לכן, ישנם מקרים שבהם תכונות החומר ליניאריות יתאימו לניתוח מידול חישובי, כגון כאשר כל דפורמציה פלסטית אינה מקובלת. עם זאת, זה יהיה שימושי רק כדי לזהות את תחילת התשואה של אזורי השפעה מקומיים, למשל, מבחן נפילה, ללא דיוק משמעותי מעבר לנקודה זו. זה מודגם על ידי איור 6 – הקו המקווקו מעבר לנקודת התפוקה מראה מעט מאוד מתח ולא יציג שום עיוות פלסטי הקיים בחומר שחווה את האזור המוצק הלא ליניארי. אם התפשטות השפעות פלסטיות או מודלים של כשל חשובים בניתוח, יש לכלול נתוני בדיקה הכוללים אלסטי, פלסטי, כשל אולטימטיבי והתחשבות בתלות בקצב כתשומות.

דמות 6 – התפשטות ליניארית לעומת תגובה חומרית בפועל (קרדיט גרף: StarFish Medical)

חיזוי או אימות של מאפיינים אלה והבנת השפעתם וחשיבותם בתכנון חיוניים לפיתוח של רכיבים ומוצרים הכוללים תרמופלסטיים. בין אם אתה משתמש במודלים חישוביים או אבות טיפוס פיזיים, זכור את הגורמים הללו בעת בדיקה ופריסה של מכשירים רפואיים בעולם האמיתי הכוללים תרמופלסטיים.

[1] https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=17477#:~:text=Roughly%2080%25%20of%20all%20plastics,Commodity%20thermoplastics

נתן מולר הוא מהנדס מכונות רפואי של StarFish – ניתוח ועיצוב. המיקוד שלו הוא בהנדסת סימולציה באמצעות מודלים חישוביים. כחלק מצוות עיצוב ופיתוח, הוא מוביל לעתים קרובות את הפיתוח של תכנון מכני ואינטגרציה של מכשירים על פני דיסציפלינות, לרבות פעילויות אופטימיזציה ממוקדות וחיסול באמצעות מודלים חישוביים וסימולציה (CM&S).